衛星移動通信頻軌資源應用現狀與對我國發展建議

張馨予孫茜劉慧梁

（1中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部 2國家航天局衛星通信系統創新中心）

2022年必將是大眾衛星通信服務市場化進程中具有里程碑意義的一年。2022年9月6日，華為公司產品發布會展示了新款Mate50系列手機將通過北斗衛星系統短報文服務，實現衛星短消息功能。9月8日，蘋果公司（Apple）發布的iPhone14系列手機正式宣布將依托“全球星”（GlobalStar）系統，實現衛星通信功能。以上兩場產品發布會，首次將衛星通信業務引入大眾消費電子終端，在全球通信服務領域為“手機直連衛星”（satellite-to-cellular service）業務的概念進行了宣傳推廣，本文將從頻軌資源的視角探尋國際商業衛星公司引領的新興衛星移動通信浪潮發展概況，并對我國衛星移動通信提出發展建議。

1關于衛星移動業務的國際規則定義

支持大眾智能手機終端直接連入衛星系統的“手機直連衛星”新型應用，已成為全球衛星移動通信市場的新熱點，除了在通信協議、芯片設計、終端研制等多個環節共同發力、推進技術創新之外，在對空間頻率軌道資源的利用方面也呈現了新思路和新變化。

國際電信聯盟（ITU）作為負責分配和管理全球無線電頻譜與衛星軌道資源的聯合國專門機構，早在1982年發布的《無線電規則》中就提出了移動衛星業務（MSS）的定義[1]。在ITU領域，如果與衛星進行通信的地球站具有移動特性（即：相對于地表并非固定不動），那么就需要選擇ITU劃分給MSS業務的無線電頻譜資源，并根據地球站的具體移動范圍進一步分為陸地衛星移動業務、航空衛星移動業務、水上衛星移動業務。表1給出了ITU劃分給MSS的常用頻段范圍，為方便對不同頻段范圍的引用，本文定義了頻段范圍代號。

表1 ITU劃分給MSS的常用頻段范圍[1]

基于表1中ITU劃分給MSS的頻譜資源，國際移動通信衛星運營商們選擇不同的軌道資源，先后發展并形成了以“銥星”（Iridium）、GlobalStar為代表的低軌衛星移動通信系統，以及以“國際移動衛星”（Inmarsat）、“瑟拉亞”（Thuraya）為代表的靜止軌道衛星移動通信系統[2]。圖1給出了ITU發布的上述典型傳統衛星移動通信系統的頻率申報情況。

圖1 國外典型衛星移動通信系統頻率申報情況[3]

可以看出，無論是低軌衛星移動通信系統，還是靜止軌道衛星移動通信系統，傳統衛星移動通信系統的頻率申報呈現以下特點：

1）頻率的選擇集中在ITU為MSS業務分配的頻段范圍，向ITU申報并且使用的頻率資源均為MSS業務可用資源；

2）出于服務手持終端的目標，系統建設初期均主要使用3GHz以下頻率資源提供移動通信服務[4]。隨著用戶對通信速率需求的提高，以及衛星平臺與天線性能的提高，部分移動通信系統嘗試向更高的Ka頻段擴展[5]；

3）由于3GHz以下頻段范圍的MSS與地面移動蜂窩系統很難在背靠背設計的前提下實現同頻同覆蓋應用，在當時的市場及技術背景下，衛星移動通信系統與地面移動蜂窩系統在同一區域只能通過分頻實現兼容共用，導致傳統衛星移動通信系統只能發展專用用戶終端為用戶提供服務，與地面移動蜂窩系統的“互補”僅體現在為地面基站難以覆蓋區域提供覆蓋能力的補充，實現淺層次的星地融合[6]。

2新興衛星移動通信系統申報及使用頻率情況分析

2022年9月，美國聯邦通信委員會（FCC）給美國衛星電信服務提供商領克全球公司（Lynk Global）頒發了一份“特殊”的頻率許可——允許其使用地面蜂窩移動通信的頻率，該許可直接突破了傳統衛星移動通信系統可以選擇的頻段范圍，為打造支持手機直連的衛星移動通信系統帶來了新思路。幾乎在同一時間，太空探索技術公司（SpaceX）、蘋果、華為等衛星公司及智能手機公司紛紛召開發布會，宣布“開發新一代手機芯片、提供手機直連衛星的新型服務”。太空網絡寬帶服務公司（AST&S）成功發射藍行者－3（BlueWalker－3）衛星，用以在軌開展手機直連衛星的相關試驗，相關報道均代表著新興衛星移動通信浪潮已正式開啟。

向FCC的頻率申報情況分析

表2給出了AST&S公司和Lynk Global公司向FCC申請的頻率軌道資源情況，可以看到，業務鏈路的選頻仍然集中在3GHz以下的頻段范圍，但已經涉及原本劃分給地面蜂窩移動系統使用的617~960MHz頻段。

表2 向FCC申請手機直連衛星系統的頻率計劃[8- 9]

除上述兩家公司之外，SpaceX公司也向FCC提交了修改“星鏈”（Starlink）星座頻率計劃的申請，希望能夠補充1~2GHz頻段范圍的MSS頻率資源[7]。

向ITU的頻率申報情況分析

與FCC在頻率許可政策法規方面擁有一定的靈活性不同，ITU對于不符合業務劃分的頻率申請管理得非常嚴格：必須承諾遵守《無線電規則》第一卷的4.4條款，既不能對其他合法使用的頻率造成有害干擾，也不得要求來自其他合法使用頻率的保護[1]。表3給出了上述新興衛星移動通信系統向ITU的頻率申報情況，可以看到，除了傳統的MSS劃分之外，已經基于4.4條款向ITU申報了大量用于地面蜂窩移動通信的移動業務（MS）劃分，其中，SpaceX公司選擇申報的MS劃分基本是基于現有MSS劃分頻率范圍的延伸。

表3 向ITU申請手機直連衛星系統的頻率計劃[3]

新興衛星移動通信系統與傳統頻率使用計劃的對比分析

圖2給出了新興衛星移動通信系統與傳統衛星移動通信系統的頻率使用情況。可以看到，Iridium、GlobalStar、Inmarsat以及Thuraya的頻率使用集中在MSS劃分的可用頻率資源，但領克塔－1（Lynk Tower－1）試驗衛星、BlueWalker－3試驗衛星、Starlink系統（擬與T-Mobile手機合作開展手機直連服務）、華為手機（擬使用北斗系統開展短報文服務）和iPhone 14（擬使用GlobalStar系統開展短報文服務）等新興衛星移動通信系統的頻率使用已經突破了傳統“衛星業務使用MSS劃分、地面業務使用MS劃分”的限制，逐步探索“衛星業務使用MS劃分、地面業務使用MSS劃分”的可能性。

圖2 3GHz以下典型移動頻率劃分及使用情況

基于上述分析，不難得出以下結論：

1）新興衛星移動通信系統的頻率選擇不再局限于ITU劃分給MSS的頻率資源，呈現出衛星移動通信系統與地面蜂窩移動通信系統在對方業務領域交叉選頻的態勢，嘗試突破目前國際規則對衛星與地面移動業務的頻率劃分制約，從頻率資源的層面為大眾智能手機直連衛星系統提供了可能性；

2）新興衛星移動通信系統的實踐者充分尊重頻率軌道資源“先到先得”的國際規則，基本提前于發布計劃兩年就完成了ITU頻率軌道資源的申報工作，并且通過申報多份不同軌道構型、不同頻段范圍的衛星網絡資料來確保國際頻率協調的優先地位；

3）新興衛星移動通信系統與地面蜂窩運營商、制造商在頻率軌道資源領域的大力合作，為衛星系統在用戶終端層面與地面移動通信網絡融合奠定了基礎，衛星移動通信產業與地面移動通信產業逐步由競爭關系轉為合作共贏模式[10]。

3對我國衛星移動通信發展的建議

隨著用戶對低成本、高速率互聯網要求的提升，手機直連衛星技術的推動將帶動手機產業和衛星通信產業快速發展。面對復雜多變、競爭激烈的市場環境，結合上述分析研究及國內發展現狀，提出以下幾點建議：

1）對于我國成熟移動通信運營商，需探索在地面無基站覆蓋的廣袤區域，利用現有地面移動業務頻段，開展星地通信服務。這一技術路徑的特點是，在不改變現有地面移動通信系統體制協議、終端工作頻段的前提下，通過提升衛星有效載荷性能，實現無基站地區的手機移動服務，讓衛星應用真正成為地面移動通信覆蓋能力的有效補充。例如，可借鑒AST公司經驗，利用大型相控陣天線等先進有效載荷提供的卓越技術能力，實現地面移動業務標準頻段內手機終端直連衛星通信。

2）對于我國衛星通信運營商，需盡早規劃布局衛星移動通信業務，特別是基于非靜止軌道衛星星座的系統網絡。這一技術路徑的特點是，在現有衛星移動通信體制協議與合規頻段內，論證手機直連衛星業務的可行性，并向國際電聯申報衛星系統網絡資料。例如，可借鑒SpaceX公司經驗，在現有低軌衛星互聯網構架的基礎上，布局衛星移動通信業務，盡快論證并申報支持MSS業務頻段的衛星網絡資料，在“先登先占”的規則框架下搶占空間頻率軌道優質資源，為后續系統建設奠定基礎。

3）對于我國致力于星地一體化建設的運營商，在星座系統論證中，需更加開拓思路，協同設計衛星與地面間的體制協議，避免“背靠背”論證過程中的重復建設，提升頻譜利用效率。例如，可借鑒Lynk Global公司經驗，在空間移動通信星座論證規劃過程中，充分考慮真實業務需求與系統能力之間的關系，統籌現有地面移動通信服務與衛星移動服務的兼容性，將“優質”頻段供應“急用”需求，提升服務效率的同時優化頻譜利用率。